Leistungshalbleiter Neue IGBT-Modul-Generation für höhere Lebensdauer und verbesserte Zuverlässigkeit

Die Performance eines Power-Moduls ist nicht nur durch die elektrischen Parameter der IGBT- und Dioden-Chips gegeben; die Verbindungstechnik bestimmt primär die Modul-Lebensdauer.

Anbieter zum Thema

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

MTM Power Messtechnik Mellenbach GmbH

Infineon Technologies AG

Dieser Beitrag stellt eine neue IGBT-Modulgeneration vor, in der die „.XT“-Technologie zum Einsatz kommt. Sie umfasst ein Paket neuer Techniken, die auch den Anforderungen bei höheren Betriebstemperaturen gerecht wird. Um die Lebensdauer und/oder die Leistungsdichte der IGBT-Module zu steigern, müssen die bis heute verwendeten Aufbau- und Verbindungstechnologien verbessert werden. Drei Beispiele für Ausfallursachen sind:

1. Die Verbindung Chipoberfläche-Bonddraht: Die Chipoberfläche wie auch die Bonddrähte bestehen aus Aluminium. Der typische Ausfallgrund sind Bonddrahtabheber, wobei die Rissausbreitung innerhalb des Aluminiumdrahtes stattfindet. Lebensdauerlimitierend ist also nicht der Bondprozess, sondern das Aluminium selbst.

2. Die Verbindung Chip-Substrat: Der Ausfallgrund hier ist eine Lotschicht-Delamination, die durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten verursacht wird. Diese Lotschicht-Delamination führt zu einer Erhöhung der thermischen Impedanz (Zth), die wiederum das Entstehen von Bonddrahtabhebern beschleunigt.

3. Die Verbindung Substrat-Bodenplatte: Auch bei dieser Verbindung führt eine Lotschicht-Delamination zum Ausfall. Die Bodenplatte einfach wegzulassen ist für viele Anwendungen keine wirkliche Alternative, da diese als thermische Kapazität und Spreizungsschicht die Kontaktfläche zum Kühlkörper vergrößert. Im Vergleich zu bodenplattenlosen Modulen kann dies im Pulsbetrieb zu einer Reduzierung des thermischen Widerstandes um bis zu 70% führen.

Aspekte zur Lebensdauer und Leistungsdichte

Weil die Lebensdauer eines IGBT-Moduls von den Verbindungstechnologien limitiert wird, müssen diese erheblich verbessert werden. Gleichzeitig ist auch die Erfahrung der letzten drei Jahrzehnte über Montage- und Verbindungsprozesse in der Massenfertigung zu berücksichtigen. Das folgende Beispiel kann die Anforderungen verdeutlichen: Bondtechnologie bietet eine hohe Flexibilität in der Modulfertigung. Mit einem Gerätetyp sind verschiedenste Moduldesigns durch ein einfaches Anpassen des Bondprogramms realisierbar und all das ohne Modifikation des Bondequipments.

Eine Erhöhung der Power-Cycling-Festigkeit kann für eine längere Modullebensdauer ausgenutzt werden. Die Anzahl der verfügbaren Zyklen bei einem bestimmten Temperaturhub ist um Faktor alpha verbessert worden. Dies entspricht einem Schritt nach oben im Power-Cycling-Diagramm. Davon profitieren vor allem Anwendungen mit einer hohen Lebensdaueranforderung.

Bei luftgekühlten Systemen ist eine Erhöhung der Leistungsdichte durch Anheben der maximalen Sperrschichttemperatur von Interesse. Die erhöhte Sperrschichttemperatur führt zu einem höheren Temperaturdelta im Modul, was im Power-Cycling-Diagramm einem Schritt nach rechts entspricht. Die Abnahme der verfügbaren Zyklen ist dann über neue Technologien zu kompensieren.

Haupteigenschaften und Nutzen der .XT-Technologie

Mit der .XT-Technologie gibt es eine Lösung für das gesamte Modulsystem, die aus neuen Montage- und Verbindungstechnologien besteht. Diese Technologie ist nicht modulspezifisch und bietet das Potenzial, auch in bereits bestehende Gehäuse eingeführt zu werden.

Beschreibung der eingesetzten Technologien

Für die Verbindung zwischen Chipoberfläche und Bonddraht wird auch in Zukunft ein Bondprozess verwendet. Allerdings zeigt der Vergleich der Materialeigenschaften (Tabelle), dass Kupfer in vielen Eigenschaften dem Aluminium überlegen ist. Mit Infineons Erfahrung aus der Wafer-Herstellung und Modulfertigung war es möglich, eine neue Chipoberfläche und einen Bondprozess mit Kupfer zu entwickeln. Die erreichten Power-Cycling-Ergebnisse wurden bereits veröffentlicht und verdeutlichen das Potenzial der .XT-Technologie.

Auch die Verbindung zwischen Chip und Substrat wurde hinsichtlich der Zuverlässigkeit verbessert. Der neue Prozess „Diffusionslöten“ kombiniert eine überdurchschnittliche Lebensdauer mit der bereits bewährten Erfahrung in der Halbleiterfertigung. Die Schichtdicke beträgt ca. 10 µm und besteht lediglich aus hochschmelzenden intermetallischen Phasen. Im Vergleich zu einer Schicht aus Weichlot konnte die Schichtdicke um Faktor 5 bis 8 reduziert werden.

Ausfallgrund der Verbindung zwischen Substrat und Bodenplatte ist eine Rissbildung in der Lotschicht. Das Ziel ist es, zusätzliche Ausscheidungsphasen im Lot zu erzielen, um diese Verbindung zu stabilisieren.

Power-Cycling-Festigkeit und elektrische Untersuchungen

Die Power-Cycling-Festigkeit von IGBT-Modulen wird in Power-Cycling-Diagrammen beschrieben. Die .XT-Technologie weist eine deutlich höhere Power-Cycling-Festigkeit auf als die vom IGBT4. Des weiteren ist das Zieldiagramm der .XT-Technologie bereits für Sperrschichttemperatur von 175 °C gültig, wie in Bild 1 gezeigt.

Der Fokus der .XT-Technologie liegt auf der signifikanten Verbesserung der Lebensdauer der IGBT-Module. Der Kunde sollte dabei in der Lage sein, das existierende Modul gegen das neue Modul mit .XT-Technolgie auszutauschen. Messungen haben gezeigt, dass beide Modultypen die gleiche elektrische Performance besitzen; Schaltverluste, Softness und maximale Kurzschlussrobustheit bleiben unverändert.

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